7. Parte experimental Refundido Para terminar la deposición del recubrimiento se hará un refundido con llama. Cuyo objetivo principal es, homogeneizar la microestructura del recubrimiento, reduciendo los poros e incrementando la adherencia al sustrato. Ensayos Ensayos del tribómetro Una vez aplicado el recubrimiento procederemos a realizar los ensayos en el tribómetro. El tribómetro es una máquina que simula las condiciones de desgaste que se dan en un entorno real. Tiene varios parámetros a controlar, y mide el coeficiente de fricción. Básicamente, el ensayo consiste en fijar la muestra en un brazo, aplicarle la carga con la que se quiere realizar el ensayo y hacer girar el disco, para conseguir un movimiento entre las superficies. Existen distintos tipos y configuraciones de tribómetros, nosotros usaremos en pin on disk (Figura 7.9) n Recubrimiento cerámico Figura 7.9 Los pasos para poner en marcha el tribómetro son los siguientes: 1. Fijar el disco y la muestra 2. Ejecutar el programa COMPEND 2000 (software con el que trabaja este tribómetro) 3. Se pone a cero el coeficiente de fricción 4. Colocar el peso e introducirlo en el programa 5. Posición del pin y la velocidad 6. Bajar el brazo y encender el motor 38
7. Parte experimental Figura 7.10. (a) tribómetro Pilnt&Partners TE79/P y (b) detalle del disco del ensayo Realizaremos dos tipos de ensayos: el primero, un estudio del coeficiente de fricción y el segundo un estudio de la pérdida de masa. Para analizar el coeficiente de fricción someteremos las muestras a ensayos con diferentes velocidades, 30, 40, 50, 60 rpm por muestra, en un radio de 30 mm, para ver como evoluciona. Como parámetro fijo tendremos la carga, que será de 11 N. Para analizar la pérdida de masa se hará un ensayo de desgaste. El ensayo se irá parando para pesar la pieza cada 100 m, por lo tanto se nos quedarán cuatro masas distintas por material: la inicial, cuando lleve 100 m, cuando lleve 200 m y cuando lleve 300 m. Como parámetros fijos tendremos una carga axial de 11 N y una velocidad de 40 rpm. En las siguientes tablas (tabla 7.3 y 7.4) se muestra de manera más clara los ensayos que se van a realizar. 39
7. Parte experimental Material Carga (N) Radio (mm) NiCrBSi 30 40 60 80 NiCrBSi + 1% Al 2 O 3 30 40 60 80 30 NiCrBSi + 2 % Al 2 O 3 40 11 30 60 80 30 NiCrBSi + 1 % Zr 2 O 3 40 60 80 30 NiCrBSi + 2 % Zr 2 O 3 40 60 80 Tabla 7.3. Ensayos a realizar para el coeficiente de rozamiento NiCrBSi Material Carga (N) Radio (mm) NiCrBSi + 1 %Al 2 O 3 NiCrBSi + 2 %Al 2 O 3 NiCrBSi + 1 % Zr 2 O 3 NiCrBSi + 2 % Zr 2 O 3 Velocidad (rpm) 11 30 40 Tabla 7.4. Ensayos a realizar para evaluar el desgaste Distancia (m) 100 200 300 100 200 300 100 200 300 100 200 300 100 200 300 40
A continuación se analizarán los resultados obtenidos en los ensayos; se hará mediante tablas de datos, gráficas y fórmulas. Se estudiarán los recubrimientos desde varios aspectos diferentes con la intención de que la elección del recubrimiento sea el más adecuado. Como se ha dicho anteriormente se han realizado dos tipos de ensayos: de desgaste y de coeficiente de rozamiento. Ensayos de desgaste NiCrBSi (V= 40 rpm y C =11N) Masa inicial Pérdida de % Pérdida de Masa final (g) (g) masa (g) masa 100 7,5460 7,5459 0,001 0,0132 200 7,5459 7,5459 0,001 0,0132 300 7,5459 7,5457 0,003 0,0397 Tabla 8.1. Resultados ensayo de desgaste NiCrBSi NiCrBSi + 1% Al 2 O 3 (V= 40 rpm y C =11N) Masa inicial Pérdida de % Pérdida de Masa final (g) (g) masa (g) masa 100 7,4498 7,4487 0,002 0,0268 200 7,4487 7,4484 0,005 0,0671 300 7,4484 7,4479 0,010 0,1342 Tabla 8.2. Resultados ensayo de desgaste NiCrBSi + 1% Al 2 O 3 NiCrBSi + 2% Al 2 O 3 (V= 40 rpm y C =11N) Masa inicial Pérdida de % Pérdida de Masa final (g) (g) masa (g) masa 100 7,5142 7,5133 0,009 0,1197 200 7,5133 7,5131 0,011 0,1464 300 7,5131 7,5130 0,012 0,1597 Tabla 8.3. Resultados ensayo de desgaste NiCrBSi + 2% Al 2 O 3 41
NiCrBSi + 1% Zr 2 O 3 (V= 40 rpm y C =11N) Masa inicial Pérdida de % Pérdida de Masa final (g) (g) masa (g) masa 100 7,2532 7,2519 0,013 0,1792 200 7,2519 7,2519 0.017 0,2344 300 7,2519 7,2512 0,020 0,2757 Tabla 8.4. Resultados ensayo de desgaste NiCrBSi + 1% Zr 2 O 3 NiCrBSi + 1% Zr 2 O 3 (V= 40 rpm y C =11N) Masa inicial Pérdida de % Pérdida de Masa final (g) (g) masa (g) masa 100 7,3939 7,3931 0,008 0,1082 200 7,3931 7,3928 0,011 0,1488 300 7,3928 7,3926 0,013 0,1758 Tabla 8.5. Resultados ensayo de desgaste NiCrBSi + 1% Zr 2 O 3 NiCrBSi Pérdida de peso(g) 0,0035 0,0030 0,0025 0,0020 0,0015 0,0010 0,0005 0,0000 0 100 200 300 Figura 8.1 Pérdida de peso distancia. NiCrBSi 42
NiCrBSi + 1% Al2O3 Pérdida de peso(g) 0,0120 0,0100 0,0080 0,0060 0,0040 0,0020 0,0000 0 100 200 300 Figura 8.2. Pérdida de peso distancia. NiCrBSi + 1% Al 2 O 3 NiCrBSi + 2% Al2O3 Pérdida de peso(g) 0,0140 0,0120 0,0100 0,0080 0,0060 0,0040 0,0020 0,0000 0 100 200 300 Figura 8.3. Pérdida de peso distancia. NiCrBSi + 2% Al 2 O 3 43
NiCrBSi + 1% Zr2O3 0,0250 Pérdida de peso (g) 0,0200 0,0150 0,0100 0,0050 0,0000 0 100 200 300 Figura 8.4. Pérdida de peso distancia. NiCrBSi + 1% Zr 2 O 3 NiCrBSi +2% Zr2O3 Pérdida de peso (g) 0,0140 0,0120 0,0100 0,0080 0,0060 0,0040 0,0020 0,0000 0 100 200 300 Figura 8.5. Pérdida de peso distancia. NiCrBSi + 2% Zr 2 O 3 44
0,025 Comparativa Pérdida de peso - distancia Pérdida de peso (g) 0,020 0,015 0,010 0,005 NiCrBSi 1% Al2O3 2% Al2O3 1% Zr2O3 2% Zr2O3 0,000 0 50 100 150 200 250 300 350 Figura 8.6 Comparativo de tendencia de desgaste Pendiente NiCrBSi 0,000020 NiCrBSi + 1% Al 2 O 3 0,000040 NiCrBSi + 2% Al 2 O 3 0,000015 NiCrBSi + 1% Zr 2 O 3 0,000035 NiCrBSi + 2% Zr 2 O 3 0,000025 Tabla 8.6. Pendiente de la gráfica En las tablas y gráficas anteriores, se relaciona la pérdida de masa con la distancia recorrida por las muestras. Como se observa en las gráficas, y como es normal, a mayor distancia recorrida mayor será la pérdida de masa. Lo importante de estos gráficos es ver la tendencia de desgaste que tienen, y a partir de ahí comparar cual es el material con mejor comportamiento. En la tabla 8.6, se han calculado las pendientes correspondientes a cada material. Ordenamos los materiales de menor a mayor pendiente, por lo tanto se nos queda como: - NiCrBSi + 2% Al 2 O 3 - NiCrBSi - NiCrBSi + 2% Zr 2 O 3 - NiCrBSi + 1% Zr 2 O 3 - NiCrBSi + 1% Al 2 O 3 45
A la vista de estos resultados, podemos concluir que, el material con mejor comportamiento de desgaste será el material con un 2% Al 2 O 3 Ensayos de coeficiente de rozamiento NiCrBSi Coeficiente de fricción (µ) 30 0,117 40 0,115 60 0,099 80 0,090 NiCrBSi + 1% Al 2 O 3 Coeficiente de fricción (µ) 30 0,114 40 0,104 60 0,090 80 0,084 Tabla 8.7.Coef. de fricción NiCrBSi Tabla 8.8. Coef. de fricción 1% Al 2 O 3 NiCrBSi + 2% Al 2 O 3 Coeficiente de fricción (µ) 30 0,129 40 0,119 60 0,113 80 0,104 NiCrBSi + 1% Zr 2 O 3 Coeficiente de fricción (µ) 30 0,551 40 0,449 60 0,461 80 0,444 Tabla 8.9. Coef. de fricción 2% Al 2 O 3 Tabla 8.10. Coef. de fricción 1% Zr 2 O 3 NiCrBSi + 2% Zr 2 O 3 Coeficiente de fricción (µ) 30 0,440 40 0,444 60 0,442 80 0,450 Tabla 8.11. Coef. de fricción 2% Zr 2 O 3 46
NiCrBSi Coeficiente de fricción (µ) 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 y = 0,1402e -0,006x R² = 0,9799 0,00 20 30 40 50 60 70 80 90 Figura 8.7. Coeficiente de fricción - velocidad. NiCrBSi 0,12 NiCrBSi + 1% Al2O3 Coeficiente de fricción (µ) 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 y = 0,1331e -0,006x R² = 0,952 0,00 20 30 40 50 60 70 80 90 Figura 8.8. Coeficiente de fricción - velocidad. 1% Al 2 O 3 47
NiCrBSi + 2% Al2O3 Coeficiente de fricción (µ) 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 y = 0,1417e -0,004x R² = 0,9669 0,00 20 30 40 50 60 70 80 90 Figura 8.9. Coeficiente de fricción - velocidad. 2% Al 2 O 3 0,60 NiCrBSi + 1% Zr2O3 Coeficiente de fricción (µ) 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 y = 0,5616e -0,003x R² = 0,4935 0,00 20 30 40 50 60 70 80 90 Figura 8.10. Coeficiente de fricción - velocidad 1% Zr 2 O 3 48
NiCrBSi + 2% Zr2O3 Coeficiente de fricción (µ) 0,45 0,45 0,45 0,45 0,44 0,44 0,44 0,44 20 30 40 50 60 70 80 90 Figura 8.11. Coeficiente de fricción - velocidad 2% Zr 2 O 3 En las tablas y gráficos anteriores, tenemos la relación entre el coeficiente de fricción y la velocidad. Se puede observar, excepto en el 2% Zr 2 O 3, como a medida que sube la velocidad el coeficiente de fricción disminuye, esto se explicó en el punto 2.2.1 de antecedentes. Los gráficos tienen una tendencia exponencial, en cada gráfico se ha puesto la R 2, que indica el ajuste de la gráfica exponencial en los datos, en el caso del NiCrBSi, NiCrBSi + 1% Al 2 O 3 y NiCrBSi + 2% Al 2 O 3 el ajuste es bastante alto. 49
Mediante unas fórmulas vamos a analizar: - La influencia de la velocidad en el coeficiente de rozamiento - Evolución de la temperatura en las superficies de fricción - El coeficiente de rozamiento cohesivo INFLUENCIA DE LA VELOCIDAD DE DESLIZAMIENTO EN EL COEFICIENTE DE ROZAMIENTO Como ya explicó en el punto de antecedentes (2.2.1), el coeficiente de rozamiento respecto a la velocidad tiene un comportamiento exponencial, al principio el coeficiente baja considerablemente pero poco a poco tiende a ser constante. Con la ayuda de la fórmula que esta a continuación vamos a ajustar los datos a dicha exponencial. Figura 8.12. Gráfica coeficiente de rozamiento - velocidad μ = μ + (μ 0 + μ ) kp v Kp NiCrBSi 5,92 NiCrBSi + 1% Al 2 O 3 9,53 NiCrBSi + 2% Al 2 O 3 5,45 NiCrBSi + 1% Zr 2 O 3 9,65 NiCrBSi + 2% Zr 2 O 3 Tabla 8.12. Pendiente Como NiCrBSi + 2% Zr 2 O 3 no tiene un comportamiento exponencial no aplicaremos la fórmula. 50
La correlación entre el coeficiente de rozamiento y la velocidad, responde a un modelo matemático de acuerdo con la ecuación anterior. NiCrBSi NiCrBSi + 1% Al 2 O 3 NiCrBSi + 2% Al 2 O 3 NiCrBSi + 1% Zr 2 O 3 NiCrBSi + 2% Zr 2 O 3 μ = 0,090 + 0,027 5,92v μ = 0,084 + 0,030 9,53 v μ = 0,104 + 0,025 5,45 v μ = 0,444 + 0,107 9,65 v EVALUACIÓN DE LA TEMPERATURA EN LAS SUPERFICIES DE FRICCIÓN En todo contacto de dos superficies con contacto existe una fricción, que hace que aumente la temperatura. Esta temperatura, conlleva una pérdida de las características resistentes de los materiales. θ = μ v N 8 α a Donde: θ Incremento de temperatura en las superficies rozantes μ Coeficiente de rozamiento N Carga aplicada (N) α Conductividad térmica ( W K*m ) a Área de la superficie (m 2 ) 30 40 60 80 NiCrBSi 5,7745 7,5657 9,7681 11,8449 NiCrBSi + 1% Al 2 O 3 5,6018 6,8344 8,8012 11,1079 NiCrBSi + 2% Al 2 O 3 6,3273 7,8145 11,1297 13,7269 NiCrBSi + 1% Zr 2 O 3 27,209 29,5043 45,4696 58,3428 NiCrBSi + 2% Zr 2 O 3 21,9654 29,1996 43,6114 59,2684 Tabla 8.13. Incremento de la temperatura en la superficie. 51